VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER HOHLKERNFASER UND ZUR HERSTELLUNG EINER VORFORM FÜR EINE HOHLKERNFASER

Abstract

 Es sind Verfahren zur Herstellung einer Antiresonanten Hohlkernfaser bekannt, die einen sich entlang einer Faser-Längsachse erstreckenden Hohlkern und einen den Hohlkern umgebenden inneren Mantelbereich aufweist, der mehrere Antiresonanzelemente umfasst. Die bekannten Verfahren umfassen die Verfahrensschritte: des Bereitstellens eines Mantelrohres, das eine Mantelrohr-Innenbohrung und eine Mantelrohr-Längsachse aufweist, entlang der sich eine von einer Innenseite und einer Außenseite begrenzte Mantelrohr-Wandung erstreckt; des Bereitstellens einer Anzahl von rohrförmigen Antiresonanzelement-Vorformlingen; des Anordnens der Antiresonanzelement-Vorformlinge an Soll-Positionen der Innenseite der Mantelrohr-Wandung unter Bildung einer primären Vorform, die einen hohlen Kernbereich und einen inneren Mantelbereich aufweist; des Elongieren der primären Vorform zu der Hohlkernfaser oder der Weiterverarbeitung der primären Vorform zu einer sekundären Vorform. Um hiervon ausgehend eine hohe Präzision und eine exakte Positionierung der Antiresonanzelemente in einer ausreichend stabilen und reproduzierbaren Weise zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass Antiresonanzelement-Vorformlinge bereitgestellt werden, die jeweils mindestens ein Hüllrohr und/oder mindestens eine Innen-Kapillare aufweisen, wobei das Hüllrohr und/oder die Innen-Kapillare anhand eines Vertikalziehverfahrens ohne Formwerkzeug erzeugt wird..

Beschreibung

Technischer Hintergrund

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Antiresonanten Hohlkernfaser, die einen sich entlang einer Faser-Längsachse erstreckenden Hohlkern und einen den Hohlkern umgebenden Mantelbereich, der eine Anzahl von Antiresonanzelementen umfasst, mit den Verfahrensschritten:

(a) Bereitstellen eines Mantelrohres, das eine Mantelrohr-Innenbohrung und eine Mantelrohr-Längsachse aufweist, entlang der sich eine von einer Innenseite und einer Außenseite begrenzte Mantelrohr-Wandung erstreckt,

(b) Bereitstellen von rohrförmigen Antiresonanzelement-Vorformlingen,

(c) Anordnen der Antiresonanzelement-Vorformlinge an Soll-Positionen der Innenseite der Mantelrohr-Wandung unter Bildung einer primären Vorform, die einen hohlen Kernbereich und einen inneren Mantelbereich aufweist, und

(d) Elongieren der primären Vorform zu der Hohlkernfaser oder Weiterverarbeitung der primären Vorform zu einer sekundären Vorform, aus der die Hohlkernfaser gezogen wird, wobei die Weiterverarbeitung eine einmalige oder wiederholte Durchführung von einem oder mehreren der folgenden Heißformprozesse umfasst:

(i) Elongieren,

(ii) Kollabieren,

(iii) Kollabieren und gleichzeitiges Elongieren,

(iv) Aufkollabieren von zusätzlichem Mantelmaterial,

(v) Aufkollabieren von zusätzlichem Mantelmaterial und anschließendes Elongieren,

(vi) Aufkollabieren von zusätzlichem Mantelmaterial und gleichzeitiges Elongieren.

[0002] Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform für eine Antiresonante Hohlkernfaser, die einen sich entlang einer Faser-Längsachse erstreckenden Hohlkern und den Hohlkern umgebenden Mantelbereich aufweist, der mehrere Antiresonanzelemente umfasst, mit den Verfahrensschritten:

(a) Bereitstellen eines Mantelrohres mit einer Mantelrohr-Längsachse, entlang der sich eine von einer Innenseite und einer Außenseite begrenzte Mantelrohr-Wandung erstreckt,

(b) Bereitstellen von rohrförmigen Antiresonanzelement-Vorformlingen,

(c) Anordnen der Antiresonanzelement-Vorformlinge an Soll-Positionen der Innenseite der Mantelrohr-Wandung unter Bildung einer primären Vorform, die einen hohlen Kernbereich und einen inneren Mantelbereich aufweist, und

(d) Elongieren der primären Vorform zu der Hohlkernfaser oder Weiterverarbeitung der primären Vorform zu einer sekundären Vorform für die Hohlkernfaser, wobei die Weiterverarbeitung eine einmalige oder wiederholte Durchführung von einem oder mehreren der folgenden Heißformprozesse umfasst:

(i) Elongieren,

(ii) Kollabieren,

(iii) Kollabieren und gleichzeitiges Elongieren,

(iv) Aufkollabieren von zusätzlichem Mantelmaterial,

(v) Aufkollabieren von zusätzlichem Mantelmaterial und anschließendes Elongieren,

(vi) Aufkollabieren von zusätzlichem Mantelmaterial und gleichzeitiges Elongieren.

[0003] Herkömmliche Monomode-Lichtleitfasern aus Vollmaterial haben einen Kernbereich aus Glas, der von einem Mantelbereich aus Glas mit niedrigerem Brechungsindex umgeben ist. Die Lichtleitung beruht dabei auf Totalreflexion zwischen Kern- und Mantelbereich. Die Wechselwirkungen des geführten Lichtes mit dem Vollmaterial sind jedoch mit einer erhöhten Latenz bei der Datenübertragung und relativ niedrigen Schädigungsschwellen gegenüber energiereicher Strahlung verbunden.

[0004] Diese Nachteile vermeiden oder verringern "Hohlkernfasern", bei denen der Kern einen evakuierten, mit Gas oder Flüssigkeit gefüllten Hohlraum umfasst. In Hohlkernfasern ist die Wechselwirkung des Lichtes mit dem Glas geringer als in Vollkernfasern. Der Brechungsindex des Kerns ist kleiner als der des Mantels, so dass eine Lichtleitung durch Totalreflexion nicht möglich ist und das Licht normalerweise aus dem Kern in den Mantel entweichen würde. In Abhängigkeit vom physikalischen Mechanismus der Lichtleitung werden Hohlkernfasern unterteilt in "photonische Bandlückenfasern" und "Antiresonanz-Reflexionsfaser".

[0005] Bei "photonischen Bandlückenfasern" ist der hohle Kernbereich von einem Mantel umgeben, in dem kleine Hohlkanäle periodisch angeordnet sind. Die periodische Struktur der Hohlkanäle im Mantel bewirkt den in Anlehnung an die Halbleitertechnologie als "photonische Bandlücke" bezeichneten Effekt, wonach an den Mantelstrukturen gestreutes Licht bestimmter Wellenlängenbereiche aufgrund von Braggreflexion im zentralen Hohlraum konstruktiv interferiert und sich nicht transversal im Mantel ausbreiten kann.

[0006] Bei der als "Antiresonante Hohlkernfaser" ("antiresonant hollow-core fibers"; AR-HCF) bezeichneten Ausführungsform der Hohlkernfaser ist der hohle Kernbereich von einem inneren Mantelbereich umgeben, in dem sogenannte "antiresonante Elemente" (oder "Antiresonanzelemente"; kurz: "AREs") angeordnet sind. Die um den Hohlkern gleichmäßig verteilten Wandungen der Antiresonanzelemente können als in Antiresonanz betriebene Fabry-Perot-Kavitäten wirken, die das auftreffende Licht reflektieren und durch den Faserkern leiten.

[0007] Diese Fasertechnologie verspricht eine niedrige optische Dämpfung, ein sehr breites Transmissionsspektrum (auch im UV- oder IR-Wellenlängenbereich) und eine geringe Latenz bei der Datenübertragung.

[0008] Potentielle Anwendungen der Hohlkernfasern liegen auf dem Gebiet der Datenübertragung, der Hochleistungsstrahlführung, beispielsweise zur Materialbearbeitung, der Modalfilterung, der nichtlinearen Optik, insbesondere zur Superkontinuumserzeugung, vom ultravioletten bis infraroten Wellenlängenbereich.

Stand der Technik

[0009] Ein Nachteil Antiresonanter Hohlkernfasern liegt darin, dass Moden höherer Ordnung nicht zwangsläufig unterdrückt werden, so dass sie über große Übertragungslängen häufig nicht rein einmodig sind und sich die Qualität des Ausgangsstrahls verschlechtert.

[0010] Im Paper von Francesco Poletti "Nested antiresonant nodeless hollow core fiber"; Optics Express, Vol. 22, No. 20 (2014); DOI: 10.1364/OE 22.023807, wird ein Faserdesign vorgeschlagen, bei dem Antiresonanzelemente nicht als einfaches singuläres Strukturelement ausgebildet sind, sondern sich aus mehreren, miteinander verschachtelten (englisch: nested) Strukturelementen zusammensetzen. Die verschachtelten Antiresonanzelemente sind so ausgelegt, dass Kernmoden höherer Ordnung phasenangepasst an die Mantelmoden sind und unterdrückt werden, aber nicht die fundamentale Kernmode. Dadurch ist die Ausbreitung der fundamentalen Kernmode stets gewährleistet und die Hohlkernfaser kann über einen begrenzten Wellenlängenbereich effektiv einmodig gemacht werden.

[0011] Die effektive Modenunterdrückung hängt von der Mittenwellenlänge des übertragenen Lichts und von Strukturparametern des Faserdesigns ab, wie dem Radius des Hohlkerns und der Durchmesserdifferenz von verschachtelten Ringstrukturen in den Antiresonanzelementen.

[0012] Aus der EP 3 136 143 A1 ist eine Antiresonante Hohlkernfaser bekannt (dort bezeichnet als "Hohlkernfaser ohne Bandlücke"), bei der der Kern neben der Fundamentalmode noch weitere Moden leiten kann. Zu diesem Zweck ist er von einem inneren Mantel mit "nicht-resonanten Elementen" umgeben, die eine Phasenanpassung von antiresonanten Moden mit den höheren Moden liefern. Die Herstellung der Hohlkernfaser erfolgt nach einer sogenannten "stack-and-draw-Technik", indem die Ausgangselemente zu einem achsenparallelen Ensemble angeordnet und zu einer Vorform fixiert werden und die Vorform anschließend elongiert wird. Hierbei wird ein Mantelrohr mit hexagonalem Innenquerschnitt verwendet und in den Innenkanten des Mantelrohres werden sechs sogenannte "ARE-Vorformen" (Anti-Resonanz-Element-Vorformen) fixiert. Diese Vorform wird in zwei Stufen zu einer Hohlkernfaser ausgezogen.

[0013] Aus der WO 2018/169487 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform für antiresonante Hohlkernfasern bekannt, bei dem ein erster Mantelbereich eine Vielzahl an Stäben und ein zweiter Mantelbereich eine Vielzahl von Rohren umfasst, die von einem äußeren Mantelrohr umgeben sind. Stäbe, Rohre und Mantelrohr werden mittels "Stack and draw"-Technik zur Bildung einer Vorform zusammengefügt. Vor dem Elongieren der Vorform wird das Vorformende versiegelt, was durch Aufbringen einer Siegelmasse geschieht. Als Siegelmasse wird beispielsweise ein UV-Kleber eingesetzt.

Technische Aufgabenstellung

[0014] Antiresonante Hohlkernfasern und insbesondere solche mit verschachtelten Strukturelementen haben komplexe Innengeometrien, was ihre exakte und reproduzierbare Herstellung erschwert. Dies gilt umso mehr, da zur Einhaltung der Resonanzbeziehungsweise Antiresonanzbedingungen bereits geringe Maßabweichungen in der Größenordnung der Arbeitswellenlänge des zu führenden Lichts nicht tolerierbar sind. Abweichungen von der Soll-Geometrie können ihre Ursache bei der Konfiguration der Faser-Vorform haben, und sie können auch durch ungewollte nichtmaßstäbliche Verformungen beim Faserziehprozess auftreten.

[0015] Bei der bekannten "Stack-and-Draw"-Technik sind viele Elemente positionsgenau zusammenzufügen. Beispielsweise müssen zur Herstellung der aus dem eingangs genannten Paper bekannten Hohlkernfaser im "NANF"-Design sechs Antiresonanzelement-Vorformlinge, jeweils bestehend aus einem Hüllrohr und einseitig an der Hüllrohr-Innenmantelfläche eingeschweißter Innen-Kapillare, an der Innenseite eines Mantelrohrs angebracht werden.

[0016] Zur Realisierung geringer Dämpfungswerte und breiter Transmissionsbereiche ist neben einer gleichmäßigen Wandstärke der Wandungen der Antiresonanzelemente auch die azimutale Position der Antiresonanzelemente innerhalb des Mantelrohres wichtig. Dies ist mit der "Stack-and-Draw"-Technik nicht ohne Weiteres zu realisieren. Ziel der Erfindung ist, ein Verfahren zur kostengünstigen Herstellung einer Antiresonanten Hohlkernfaser anzugeben, das Beschränkungen herkömmlicher Herstellungsverfahren vermeidet.

[0017] Insbesondere ist es Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Antiresonanten Hohlkernfaser und einer Vorform für Antiresonante Hohlkernfasern bereitzustellen, mit dem reproduzierbar eine hohe Präzision der Strukturelemente und eine exakte Positionierung der Antiresonanzelemente in der Faser in einer ausreichend stabilen und reproduzierbaren Weise erreicht werden kann.

[0018] Außerdem sollen Nachteile der klassischen "Stack and Draw"-Technik, mit der die erforderlichen Strukturgenauigkeiten, insbesondere eine gleichmäßige Wandstärke der Antiresonanzelemente und eine exakte Positionierung an vorgegebenen azimutalen Positionen nicht einfach zu erreichen ist, möglichst vermieden werden.

Zusammenfassung der Erfindung

[0019] Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung der Antiresonanten Hohlkernfaser wird diese Aufgabe ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Antiresonanzelement-Vorformlinge bereitgestellt werden, die jeweils mindestens ein Hüllrohr und/oder mindestens eine Innen-Kapillare aufweisen, wobei das Hüllrohr und/oder die Innen-Kapillare anhand eines Vertikalziehverfahrens ohne Formwerkzeug erzeugt wird.

[0020] Ausgangspunkt für die Herstellung der Antiresonanten Hohlkernfaser ist eine Vorform, die hier auch als "primäre Vorform" bezeichnet wird. Die Herstellung der primären Vorform umfasst den Einbau und das Verbinden von Antiresonanzelement-Vorformlingen mit einem Mantelrohr unter Bildung eines sogenannten "Canes". Die primäre Vorform kann zu der Hohlkernfaser elongiert werden; in der Regel wird der primären Vorform aber zusätzliches Mantelmaterial hinzugefügt, um daraus eine hier als "sekundäre Vorform" bezeichnete Vorform zu erzeugen. Gegebenenfalls wird die Hohlkernfaser durch Elongieren der sekundären Vorform erzeugt. Alternativ werden die primäre Vorform oder die sekundäre Vorform unter Ausbildung eines koaxialen Ensembles von Bauteilen mit einem Überfangzylinder oder mit mehreren Überfangzylindern umgeben und das koaxiale Ensemble direkt zu der Hohlkernfaser elongiert. Der allgemeine Begriff "Vorform" wird hier zur Bezeichnung desjenigen Bauteils oder desjenigen koaxialen Ensembles von Bauteilen verstanden, aus der die Hohlkernfaser letztlich gezogen wird.

[0021] Die Herstellung der Vorform umfasst eine Anzahl von Verfahrensschritten, bei denen Ausgangselemente der Hohlkernfaser hergestellt und zueinander positioniert werden und mindestens einen Heißverformungsschritt. Jedes der Ausgangselemente und weist eine gewisse Abweichung von seiner Sollgeometrie auf und jeder Schritt der Positionierung und Umformung führt zwangsläufig zu Geometrieabweichungen, die sich in der fertigen Vorform zu einem absoluten Geometriefehler aufsummieren. Insbesondere die Heißumformung von Glas kann bei geringsten Abweichungen von einem idealen in der Regel zylindersymmetrischen Temperaturprofil der Heizzone zu einer ungewollten und nicht reproduzierbaren Verformung führen.

[0022] Die beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte primäre Vorform enthält Antiresonanzelemente, von denen mindestens einige, vorzugsweise alle in einem Vertikalziehverfahren ohne Formwerkzeug erzeugt werden.

• Unter einem Formwerkzeug wird hier beispielsweise eine Formdüse, ein Formdorn oder ein anderes Glasbläserwerkzeug verstanden, das beim Umformprozess zwecks Formgebung in direkten Kontakt mit der heißen Glasmasse gebracht wird. Derartige Formwerkzeuge bestehen aus einem hochtemperaturfesten Werkstoff, wie beispielsweise aus Wolfram, und sie bewirken häufig Verunreinigungen im Glas. Außerdem können sie durch den Kontakt mit der heißen Glasmasse zu Beschädigungen der Oberfläche des abgezogenen Glasstrangs führen.
  Da es sich beim erfindungsgemäßen Verfahren um ein berührungsloses Formgebungsverfahren, das heißt: ohne Einsatz von Formwerkzeugen, handelt, werden alle diese Nachteile vermieden. Es werden Hüllrohre beziehungsweise Innen-Kapillaren erhalten, die sich durch hohe Reinheit und schädigungsarme Oberfläche auszeichnen. Insbesondere wird ein Hüllrohr beziehungsweise eine Innen-Kapillare aus Quarzglas erhalten, das eine Wolfram-Konzentration von weniger als 2 Gew.-ppb enthält.
• Bei bekannten Methoden zum Elongieren eines Ausgangszylinders erfolgt das Umformen in einer Heizzone bei horizontal orientierter Ausgangszylinder-Längsachse. Derartige Horizontalziehverfahren werden insbesondere zum Elongieren langer Rohre eingesetzt. Dabei können in der Heizzone gebildete Partikel, beispielsweise aus Metall, Graphit oder SiC, durch die Schwerkraft leicht auf die heiße Glasmasse gelangen. Derartige Partikel führen zu einer Verschlechterung sowohl der optischen Eigenschaften (Absorption, Brechzahl) als auch der mechanischen Eigenschaften (Blasen oder Partikel) und führen beim Faserziehprozess in der Regel zum Faserbruch.
  Beim erfindungsgemäßen Vertikalziehverfahren tritt dieser Effekt nicht auf, da die in der Heizzone gebildeten Partikel infolge der Schwerkraft seitlich zum elongierten Rohrstrang herabfallen. Es werden Hüllrohre beziehungsweise Innen-Kapillaren erhalten, die sich durch hohe Partikelfreiheit auszeichnen.
  Insbesondere wird nach Beendigung des Vertikalziehverfahrens ein Hüllrohr beziehungsweise eine Innen-Kapillare mit einer Außenmantelfläche erhalten, die frei ist von Partikeln mit einer Größe von mehr als 0,005 mm.

[0023] Insgesamt können so Hüllrohre und Innen-Kapillare mit einer höheren Bruchfestigkeit (durch geringe Partikelkontamination) und einer verbesserten geometrische Genauigkeit realisiert werden, was auch in verbesserten Dämpfungseigenschaften und Bandbreitenperformance beiträgt. Die Fertigung der Bauteile kann mit einer Maßabweichung von weniger als 0,1 mm in der Wandstärke erfolgen.

[0024] Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante umfasst das Vertikalziehverfahren zum Herstellen des Hüllrohres und/oder zum Herstellen der Innen-Kapillare folgende Verfahrensschritte:

(aa) Bereitstellen eines Ausgangshohlzylinders aus Glas, der eine ZylinderLängsachse und eine äußere sowie eine innere Zylindermantelfläche aufweist,

(bb) einen ersten Elongierprozess, bei dem der Ausgangshohlzylinder mit vertikal orientierter Längsachse kontinuierlich einer ersten Heizzone mit einer ersten Heizzonenlänge L_H1 zugeführt, darin bereichsweise erweicht und aus dem erweichten Bereich ein Zwischenzylinder ohne Formwerkzeug abgezogen wird,

(cc) einen zweiten Elongierprozess, bei dem der Zwischenzylinder oder ein aus dem Zwischenzylinder durch Elongieren erhaltener elongierter Zwischenzylinder mit vertikal orientierter Längsachse kontinuierlich einer zweiten Heizzone mit einer zweiten Heizzonenlänge L_H2 zugeführt, darin bereichsweise erweicht und aus dem erweichten Bereich ein Rohrstrang mit einem Außendurchmesser T_a und einem Innendurchmesser T_i ohne Formwerkzeug abgezogen wird, wobei gilt: L_H2 < L_H1 und T_a/T_i < 1,5, und

(dd) Ablängen des Rohrstrangs zu Hüllrohren.

[0025] Der Elongierprozess verläuft hierbei in mindestens zwei Stufen und in mindestens zwei unterschiedlichen Ziehanlagen. Die dabei zum Einsatz kommenden Ziehanlagen unterscheiden sich insbesondere in der Länge ihrer Heizzone. Darunter wird bei einer Heizzone mit einem in vertikaler Richtung konstanten Temperaturprofil diejenige beheizte Länge verstanden, innerhalb der die Temperatur ihren nominalen Sollwert hat. Bei einer Heizzone mit einem in vertikaler Richtung nicht konstanten Temperaturprofil wird derjenige Längenabschnitt verstanden, innerhalb dem die in Grad Celsius gemessene Temperatur mindestens 90% der maximalen Ziehtemperatur beträgt.

• Die vergleichsweise längere Heizzone im ersten Elongierschritt trägt zu einer homogeneren radialen Temperaturverteilung im Volumen des umzuformenden Ausgangszylinders bei und ermöglicht einen großen Materialdurchsatz. Die erste Heizzonenlänge L_H1 beträgt mindestens 200 mm, und liegt vorzugsweise zwischen 250 und 400 mm.
• Die vergleichsweise kürzere Heizzone im zweiten Elongierschritt bewirkt einen steileren Temperaturgradienten in axialer Richtung des umzuformenden Zwischenzylinders. Dies resultiert in einer relativ kurzen Ziehzwiebel mit einer geringen Ziehzwiebelmasse. Infolge der geringeren erweichten Masse werden wiederum deren Eigenschwingungen reduziert, mit dem Ergebnis geringerer Maßabweichungen beim abgezogenen Rohrstrang. Die zweite, kürzere Heizzonenlänge L_H2 beträgt maximal 180 mm, und sie liegt vorzugsweise zwischen 50 und 150 mm.

[0026] Bei einer besonders vorteilhaften Variante des zweistufigen Elongierverfahren umfasst das Bereitstellen des Ausgangshohlzylinders gemäß Verfahrensschritt (aa) eine mechanische Bearbeitung der Zylindermantelflächen zur Einstellung von Ausgangshohlzylinder-Endmaßen, umfassend einen Außendurchmesser C_a von mindestens 90 mm, einen Innendurchmesser C_i und ein Durchmesserverhältnis C_a/C_i von weniger als 2,8.

[0027] Die mechanische Bearbeitung der Zylindermantelflächen des Ausgangshohlzylinders erfolgt vorzugsweise durch spanende Bearbeitung mittels Schneiden, Bohren, Fräsen, Schleifen, Honen und/oder Polieren erfolgt.

[0028] Diese Bearbeitungstechniken liefern im Vergleich zu anderen bekannten Umformtechniken zur Hohlzylinder-Fertigung unter Einsatz von Hitze und Druck genauere und filigranere Strukturen und sie vermeiden Verunreinigungen der Oberflächen durch Formwerkzeuge, wie beispielsweise Düsen, Pressen oder Schmelzformen.

[0029] Als Ausgangszylinder wird ein vergleichsweise großer Hohlzylinder mit einem Außendurchmesser C_a von mindestens 90 mm, bevorzugt mindestens150 mm, und besonders bevorzugt mindestens 180 mm, eingesetzt. Das Durchmesserverhältnis C_a/C_i ist ein Maß für die Wandstärke des Ausgangszylinders.

[0030] Dieser wird über den Zwischenschritt des mindestens einen Zwischenzylinders vorteilhaft zu einem Rohrstrang mit einem Außendurchmesser T_a im Bereich von 7 bis 25 mm gezogen.

[0031] Bei einer ersten Verfahrensvariante wird die Wandstärke des Rohrstrangs vorzugsweise auf einen Wert zwischen 0,2 und 2 mm, bevorzugt auf einen Wert zwischen 0,22 und 1,2 mm, eingestellt, und das Durchmesserverhältnis T_a/T_i auf einen Wert im Bereich von 1,02 und 1,14, vorzugsweise auf einen Wert im Bereich von 1,04 bis 1,08.

[0032] Bei einer zweiten Verfahrensvariante wird die Wandstärke des Rohrstrangs vorzugsweise auf einen Wert zwischen 0,2 und 2 mm, bevorzugt auf einen Wert zwischen 0,22 und 1,2 mm, eingestellt, und das Durchmesserverhältnis T_a/T_i auf einen Wert im Bereich von 1,02 und 1,14, vorzugsweise auf einen Wert im Bereich von 1,04 bis 1,08.

[0033] Insbesondere im Hinblick auf eine möglichst glatte Innenoberfläche des abgezogenen Rohrstrangs hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Ausziehverhältnis in Summe der Elongierprozesse auf einen Wert im Bereich von 38 bis 7800 eingestellt wird.

[0034] Als Ausziehverhältnis wird hier das Verhältnis der Gesamtquerschnittsflächen von abgezogenem Rohrstrang und Ausgangszylinder verstanden. Es ist ein Maß für die Intensität / den Grad des Umformprozesses. Durch Einsatz eines großen Ausgangszylinders ist auch eine höhere Fertigungsproduktivität erreichbar.

[0035] Es hat sich gezeigt, dass die Qualität der Innenwandung des abgezogenen Rohrstrangs von der Intensität des Umformprozesses abhängt. Ein intensiver Umformprozess führt tendenziell zu einer besseren, glatteren Innenoberfläche.

[0036] Das berührungslose Vertikalziehverfahren kann auch vorteilhaft zur Herstellung des Mantelrohres der primären Vorform eingesetzt werden. Das Mantelrohr zeichnet sich dabei vorzugsweise durch einen Durchmesser im Bereich von 20 bis 70 mm aus, bevorzugt durch einen Außendurchmesser im Bereich von 30 bis 60 mm. Hierbei handelt es sich um einen vergleichsweise großen Außendurchmesser. Im Stand der Technik liegen die Außendurchmesser der primären Vorformen (Canes) typischerweise bei 4 bis 6 mm. Damit ist die Herstellung von Hohlkernfasern im industriellen Maßstab kaum möglich.

[0037] Da mit zunehmendem Durchmesser der Vorform die vorhandene absolute Geometriefehler beim Faserziehen stärker herunterskaliert werden, wird so eine präzisere Fertigung der Hohlkernfaser grundsätzlich ermöglicht. Je größer der Durchmesser ist, umso langsamer ist die Nachführgeschwindigkeit beim Elongieren und umso länger ist die Dauer, der jedes axiale Teilstück der Vorform der hohen Temperatur der Heizzone ausgesetzt ist. Bei zu langsamer Nachführgeschwindigkeit beim Elongieren deformieren jedoch die Strukturelemente der Antiresonanzelement-Vorformlinge. Bei kleineren Durchmessern als 20 mm ist die thermische Trägheit der Vorform gering, so dass etwaige Temperaturschwankungen in der Heizzone schwieriger auszugleichen.

[0038] Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante umfasst das Anordnen der Antiresonanzelement-Vorformlinge und/oder das Elongieren der primären Vorform, und/oder das Ziehen der Hohlkernfaser eine Fixierungs-Maßnahme und/oder eine Versiegelungsmaßnahme unter Einsatz einer amorphe SiO₂-Partikel enthaltenden Versiegelungs- oder Verbindungsmasse.

[0039] Die zum Versiegeln oder Fixieren eingesetzte Versiegelungs- oder Verbindungsmasse enthält amorphe SiO₂-Partikel, die beispielsweise in einer Dispersionsflüssigkeit aufgenommen sind. Diese Masse wird zwischen den zu verbindenden beziehungsweise zu versiegelnden Flächen aufgetragen und ist beim Einsatz in der Regel pastös. Beim Trocknen bei niedriger Temperatur wird die Dispersionsflüssigkeit teilweise oder vollständig entfernt und die Masse verfestigt. Die Versiegelungs- oder Verbindungsmasse und insbesondere die nach dem Trocknen erhaltene, verfestigte SiO₂-haltige Versiegelungs- oder Verbindungsmasse genügt den Anforderungen zur Fixierung und Verdichtung. Die zum Trocknen erforderliche Temperatur liegt unterhalb von 300 °C, was die Einhaltung der Maßhaltigkeit der Vorform begünstigt und thermische Beeinträchtigungen vermeidet. Ein Erhitzen auf höhere Temperaturen um 800 °C, beispielsweise beim Elongieren der Vorform zur Hohlkernfaser, führt zu einer weiteren thermischen Verfestigung der Versiegelungs- oder Verbindungsmasse, die auch geeignet ist, opakes oder transparentes Glas zu bilden. Dies geschieht durch Sintern oder Verglasen, wobei das Sintern zu opakem Glas vergleichsweise niedrigere Temperaturen und/oder kurze Erhitzungsdauern erfordert als ein Verglasen bis zur vollständigen Transparenz. Die Versiegelungs- oder Verbindungsmasse kann somit durch Erwärmen vollständig verdichtet und durch Erhitzen beim Heißformprozess verglast werden.

[0040] Beim Heißformprozess zersetzt sich die Versiegelungs- oder Verbindungsmasse nicht und sie setzt wenig an Verunreinigungen frei. Sie zeichnet sich somit durch thermische Stabilität und Reinheit beim Heißformprozess aus und sie vermeidet Verformungen infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten.

[0041] Die Versiegelungs- und Verbindungsmasse ist auch vorteilhaft einsetzbar, um beim Elongieren der primären Vorform und/oder beim Ziehen der Hohlkernfaser offene Enden der Antiresonanzelement-Vorformlinge und/oder einzelne Strukturelemente der Antiresonanzelement-Vorformlinge und/oder ein etwaigen Ringspalt zwischen Rohrelementen zu verschleißen.

[0042] Auf diese Weise können die einzelnen Bestandteile der primären Vorform und/oder sekundären Vorform beim Elongieren beziehungsweise beim Faserziehprozess unterschiedlichen Innendrücken ausgesetzt werden.

[0043] Die Exaktheit der Positionierung der Vorformlinge an der Innenmantelfläche des Mantelrohrs wird weiter verbessert, indem die Mantelrohr-Innenseite und/oder die Mantelrohr-Außenseite und/oder die Hüllrohre-Innenseite und/oder die Hüllrohr-Außenseite durch spanende Bearbeitung erzeugt wird, insbesondere durch Bohren, Fräsen, Schleifen, Honen und/oder Polieren

[0044] Diese Bearbeitungstechniken liefern im Vergleich zu anderen bekannten Umformtechniken unter Einsatz von Hitze und Druck genauere und filigranere Strukturen und sie vermeiden Verunreinigungen der Oberflächen durch Formwerkzeuge, wie beispielsweise Düsen, Pressen oder Schmelzformen.

[0045] Die spanende mechanische Bearbeitung umfasst vorzugsweise auch eine Strukturierung der Mantelrohr-Innenseite im Bereich von Soll-Positionen der Antiresonanzelement-Vorformlinge, indem diese mit einer sich in Richtung der Mantelrohr-Längsachse erstreckenden Längsstruktur versehen wird. Diese Längsstruktur umfasst beispielsweise Längsschlitze und/oder oder Längsrillen in der Mantelrohr-Innenwandung, die parallel zur Mantelrohr-Längsachse verlaufen und die bevorzugt durch Bohren, Sägen, Fräsen Schneiden oder Schleifen erzeugt werden.

[0046] Die sich in Richtung der Mantelrohr-Längsachse erstreckende Längsstruktur dient als Positionierungshilfe für die Antiresonanzelement-Vorformlinge. Sie erleichtert, dass die Antiresonanzelement-Vorformlinge vorgegebene definierte Positionen an der Innenseite des Mantelrohres einnehmen.

[0047] Die Genauigkeit der Positionierung der Vorformlinge an der Innenmantelfläche des Mantelrohrs wird verbessert, wenn die oberen stirnseitigen Enden der Strukturelemente mittels einer Positionierungsschablone an der Soll-Position positioniert werden.

[0048] Die Positionierungsschablone weist beispielsweise einen in die Mantelrohr-Innenbohrung ragenden Schaft auf, der mit Halteelementen in Form mehrerer radial nach außen weisender Haltearme versehen ist.

[0049] Die konstruktiv vorgegebene sternförmige Anordnung der Halteelemente erleichtert die exakte Positionierung der Antiresonanzelement-Vorformlinge an den jeweiligen Soll-Positionen und deren Fixierung, beispielsweise mittels der ober erläuterten Versiegelungs- oder Verbindungsmasse. Dabei wird die Positionierungsschablone vorzugsweise ausschließlich im Bereich der Mantelrohr-Stirnseiten eingesetzt, vorzugsweise im Bereich beider Mantelrohr-Stirnseiten.

[0050] Es hat sich außerdem eine Verfahrensweise bewährt, bei der beim Elongieren der primären Vorform gemäß Verfahrensschritt (d) und/oder beim Ziehen der Hohlkernfaser gemäß Verfahrensschritt (e) mehrere Bestandteile der Vorform aus Quarzglas gemeinsam erhitzt und erweicht werden, wobei das Quarzglas mindestens einiger der Vorform-Bestandteile mindestens einen Dotierstoff enthält, der die Viskosität von Quarzglas absenkt.

[0051] Bestandteile der primären Vorform umfassen das Mantelrohr und die darin angeordneten Antiresonanzelement-Vorformlinge. Die sekundäre Vorform enthält zusätzliches Mantelmaterial, das beispielsweise in Form eines Überfangzylinders oder mehrerer Überfangzylinder bereitgestellt und auf die primäre Vorform aufkollabiert oder mit dieser zusammen zu der Hohlkernfaser verzogen wird.

[0052] Als die Viskosität von Quarzglas absenkende Dotierstoffe kommen vorzugsweise Fluor, Chlor und/oder Hydroxylgruppen zum Einsatz.

[0053] Die Dotierung ermöglich die Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von benachbarten Vorform-Bestandteilen, um Spannungen zu vermeiden oder zu vermindern. Sie kann auch dazu eingesetzt werden, die thermische Stabilität eines Bestandteils zu Gunsten der Stabilität eines benachbarten Bestandteils zu verringern.

[0054] So hat es sich beispielsweise als günstig erwiesen, wenn das Quarzglas des Mantelrohres bei einer Messtemperatur von 1250 °C eine um mindestens 0,5 dPa.s höhere Viskosität, vorzugsweise eine um mindestens 0,6 dPa.s, höhere Viskosität, aufweist als das Quarzglas von zusätzlich aufgebrachtem Mantelmaterial (bei Angabe der Viskosität als logarithmischer Wert in dPas).

[0055] Insbesondere im Hinblick auf eine geringe optische Dämpfung und eine große optische Übertragungs-Bandbreite der Hohlkernfaser hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Antiresonanzelemente um den Hohlkern mit einer ungeradzahligen Symmetrie angeordnet sind.

[0056] Hinsichtlich der Herstellung der Vorform für die Hohlkernfaser wird die oben angegebene technische Aufgabe ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Antiresonanzelement-Vorformlinge bereitgestellt werden, die jeweils mindestens ein Hüllrohr und/oder mindestens eine Innen-Kapillare aufweisen, wobei das Hüllrohr und/oder die Innen-Kapillare anhand eines Vertikalziehverfahrens ohne Formwerkzeug erzeugt wird.

[0057] Diese Verfahrensweise ermöglicht eine präzisere Fertigung der Hohlkernfaser. Maßnahmen zur Herstellung der Vorform sind weiter oben im Zusammenhang der Herstellung der Hohlkernfaser erläutert und diese Erläuterungen werden hiermit einbezogen.

Definitionen

[0058] Einzelne Verfahrensschritte und Begriffe der obigen Beschreibung werden im Folgenden ergänzend definiert. Die Definitionen sind Bestandteil der Beschreibung der Erfindung. Bei einem sachlichen Widerspruch zwischen einer der folgenden Definitionen und der übrigen Beschreibung ist das in der Beschreibung Gesagte maßgeblich.

Antiresonanzelemente

[0059] Die Antiresonanzelemente können einfache oder verschachtelte Strukturelemente der Hohlkernfaser sein. Sie haben mindestens zwei Wandungen, die aus Richtung des Hohlkerns gesehen eine negative Krümmung haben (konvex) oder keine Krümmung haben (plan, gerade). Sie bestehen in der Regel aus einem Material, das für das Arbeitslicht transparent ist, beispielsweise aus Glas, insbesondere aus dotiertem oder nicht dotiertem SiO₂, einem Kunststoff, insbesondere aus einem Polymer, aus einem Verbundwerkstoff oder aus kristallinem Material.

Antiresonanzelement-Vorformling / Antiresonanzelement-Vorstufe

[0060] Als Antiresonanzelement-Vorformlinge werden Bauteile oder Bestandteile der Vorform bezeichnet, die im Wesentlichen durch einfaches Langziehen beim Faserziehprozess zu Antiresonanzelementen in der Hohlkernfaser werden. Als Antiresonanzelement-Vorstufen werden Bauteile oder Bestandteile der Vorform bezeichnet, die erst durch Umformung zu Antiresonanzelement-Vorformlingen oder direkt zu Antiresonanzelementen werden. Die Antiresonanzelement-Vorformlinge können einfache oder verschachtelte Bauteile sein, an denen zusätzlich Positionierhilfen fixiert sein können. Sie liegen ursprünglich in der primären Vorform (Cane) vor.

[0061] Durch Weiterverarbeitung der primären Vorform, insbesondere durch Heißumformschritte, können Zwischenprodukte entstehen, in denen die ursprünglichen Antiresonanzelement-Vorformlinge in einer gegenüber der ursprünglichen Form veränderten Form vorliegen. Die veränderte Form wird hier ebenfalls als Antiresonanzelement-Vorformling oder auch als Antiresonanzelement-Vorstufe bezeichnet.

Vorform / primäre Vorform / sekundäre Vorform

[0062] Die Vorform ist dasjenige Bauteil, aus dem die Antiresonante Hohlkernfaser gezogen wird. Es ist eine primäre Vorform oder eine durch Weiterverarbeitung der primären Vorform erzeugte sekundäre Vorform. Die Weiterverarbeitung der primären Vorform zu einer sekundären Vorform, aus der die Hohlkernfaser gezogen wird, kann eine einmalige oder wiederholte Durchführung von einem oder mehreren der folgenden Heißformprozesse umfassen:

(i) Elongieren,

(ii) Kollabieren,

(iii) Kollabieren und gleichzeitiges Elongieren,

(iv) Aufkollabieren von zusätzlichem Mantelmaterial,

(v) Aufkollabieren von zusätzlichem Mantelmaterial und anschließendes Elongieren,

(vi) Aufkollabieren von zusätzlichem Mantelmaterial und gleichzeitiges Elongieren.

Elongieren / Kollabieren

[0063] Beim Elongieren wird die primäre Vorform gelängt. Die Längung kann ohne gleichzeitiges Kollabieren erfolgen. Das Elongieren kann maßstäblich erfolgen, so dass sich beispielsweise die Form und Anordnung von Bauteilen oder Bestandteilen der primären Vorform im elongierten Endprodukt widerspiegeln. Beim Elongieren kann die primäre Vorform aber auch nicht-maßstäblich gezogen und ihre Geometrie verändert werden.

[0064] Beim Kollabieren wird eine Innenbohrung verengt oder Ringspalte zwischen rohrförmigen Bauteil werden geschlossen oder verengt. Das Kollabieren geht in der Regel mit einem Elongieren einher.

Hohlkern / Innerer Mantelbereich / Äußerer Mantelbereich / Cane

[0065] Das Ensemble aus mindestens einem Mantelrohr und darin lose aufgenommenen oder fest fixierten Vorformlingen oder Vorstufen für Antiresonanzelemente wird hier auch als "primäre Vorform" oder "Cane" bezeichnet. Die primäre Vorform (Cane) umfasst den Hohlkern und einen Mantelbereich. Dieser Mantelbereich wird auch als "innerer Mantelbereich" bezeichnet, wenn es auch einen "äußeren Mantelbereich" gibt, der beispielsweise durch Aufkollabieren auf den Cane erzeugt worden ist, und wenn zwischen diesen Mantelbereichen unterschieden werden soll. Die Bezeichnungen "innerer Mantelbereich" und "äußerer Mantelbereich" werden auch für die entsprechenden Bereiche in der Hohlkernfaser oder in Zwischenprodukten genutzt, die durch Weiterverarbeitung der primären Vorform erhalten werden.

[0066] Die Bezeichnung "Rohrinnenseite" wird auch als Synonym für "Rohr-Innenmantelfläche" und die Bezeichnung "Rohraußenseite" wird auch als Synonym für "Rohr-Außenmantelfäche" verwendet. Der Begriff "Innenbohrung" in Verbindung mit einem Rohr besagt nicht, dass die Innenbohrung durch einen Bohrvorgang erzeugt worden ist.

Spanende Bearbeitung

[0067] Darunter werden trennende mechanische Fertigungsverfahren zur trennenden Bearbeitung eines Werkstücks verstanden, insbesondere Drehen, Schneiden, Bohren, Sägen, Fräsen und Schleifen. Durch diese Bearbeitung wird eine sich in Richtung der Mantelrohr-Längsachse erstreckende Längsstruktur geschaffen, die als Positionierungshilfe für die Antiresonanzelement-Vorformlinge dient. Die Längsstruktur ist von der Mantelrohr-Innenmantelfläche zugänglich; sie kann sich auch bis zur Außenmantelfläche durch die gesamte Mantelrohr-Wandung erstrecken.

Teilchengröße und Teilchengrößenverteilung

[0068] Teilchengröße und Teilchengrößenverteilung der SiO₂-Partikel werden anhand der D₅₀-Werte charakterisiert. Diese Werte werden aus Partikelgrößen-Verteilungskurven entnommen, die das kumulative Volumen der SiO₂-Partikel in Abhängigkeit von der Partikelgröße zeigen. Die Teilchengrößenverteilungen werden häufig anhand der jeweiligen D₁₀-, D₅₀- und D₉₀-Werte charakterisiert. Dabei kennzeichnet der D₁₀-Wert diejenige Teilchengröße, die von 10% des kumulativen Volumens der SiO₂-Teilchen nicht erreicht wird, und dementsprechend der D₅₀-Wert und der D₉₀-Wert diejenige Partikelgrößen, die von 50% beziehungsweise von 90% des kumulativen Volumens der SiO₂-Partikel nicht erreicht wird. Die Partikelgrößenverteilung wird durch Streulicht- und Laserbeugungsspektroskopie nach ISO 13320 ermittelt.

Ausführungsbeispiel

[0069] Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt in schematischer Darstellung

Figur 1

eine primäre Vorform mit einem Mantelrohr und darin positionierten und fixierten Antiresonanzelement-Vorformlingen zur Herstellung einer Vorform für eine Hohlkernfaser anhand einer Ansicht auf den radialen Querschnitt, und

Figur 2

eine Vorrichtung zum Einsatz bei der werkzeugfeien Fertigung von Hüllrohren und Innen-Kapillaren anhand eines Vertikalziehverfahrens, und

[0070] Bei der Herstellung der Hohlkernfaser beziehungsweise der Vorform für die Hohlkernfaser sind eine Vielzahl von Bauteilen miteinander zu verbinden. Darüber hinaus kann es bei der Durchführung von Heißformprozessen hilfreich sein, vorhandene Spalte oder Kanäle der Vorform zu versiegeln. Zum Verbinden beziehungsweise zur Versiegelung wird eine auf SiO₂ basierende Versiegelungs- oder Verbindungsmasse eingesetzt, wie sie aus der DE 10 2004 054 392 A1 bekannt ist. Dabei wird durch Nassvermahlen von Quarzglaskörnung ein wässriger Schlicker erzeugt, der amorphe SiO₂-Partikel mit einer Partikelgrößenverteilung enthält, die durch einen D₅₀-Wert von etwa 5 µm und durch einen D₉₀-Wert von etwa 23 µm gekennzeichnet ist. Dem Basisschlicker wird weitere amorphe SiO₂-Körnung mit einer mittleren Korngröße von etwa 5 µm zugemischt. Der als Verbindungsmasse eingesetzte Schlicker hat einen Feststoffgehalt von 90%, der zu mindestens 99,9 Gew.-% aus SiO₂ besteht.

[0071] Figur 1 zeigt schematisch einen Cane (primäre Vorform 23) mit einem Mantelrohr 21 mit einer Mantelrohr-Wandung 22, an deren Innenmantelfläche an zuvor definierten azimutalen Positionen im gleichmäßigen Abstand Antiresonanzelement-Vorformlinge 24 fixiert sind; im Ausführungsbeispiel sind es sechs Vorformlinge 4, in einer anderen, nicht dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist es eine ungeradzahlige Anzahl von Vorformlingen.

[0072] Das innere Mantelrohr 21 besteht aus Quarzglas und hat eine Länge von 1000 mm, einen Außendurchmesser von 27 mm und einen Innendurchmesser von 20 mm. Die Antiresonanzelement-Vorformlinge 24 liegen als Ensemble miteinander verschachtelter Strukturelemente aus einem Außenrohr 24a und einer Innen-Kapillare 24b vor. Das Außenrohr 24a hat einen Außendurchmesser von 6,2 mm und die Innen-Kapillare 24b hat einen Außendurchmesser von 2,5 mm. Die Wandstärke beider Strukturelemente (24a; 24b) ist gleich und beträgt 0,3 mm. Das Durchmesserverhältnis beträgt beim Außenrohr somit 1,107 und bei der Innen-Kapillare beträgt es 1,315. Die Längen von Außenrohr 24a und Innen-Kapillare 24b entsprechen der Mantelrohr-Länge 21.

[0073] Die Fixierung der Antiresonanzelement-Vorformlinge 24 an der Innenwand des Mantelrohrs 21 erfolgt mittels der auf SiO₂ basierenden Verbindungsmasse 5.

[0074] Die Verbindungsmasse 25 wird auf der Mantelrohr-Innenmantelfläche lokal im Bereich der stirnseitigen Enden aufgetragen und die Antiresonanzelement-Vorformlinge werden darauf unter Einsatz einer Positionierungs-Schablone mit konstruktiv vorgegebener sternförmiger Anordnung von Haltearmen für die einzelnen Antiresonanzelement-Vorformlinge 24 aufgesetzt. Die Positionierungs-Schablone ist dabei auf den Bereich um die beiden stirnseitigen Mantelrohr-Enden beschränkt.

[0075] Durch diese Methode wird eine genaue und reproduzierbare Verbindung zwischen Mantelrohr 21 und Antiresonanzelement-Vorformlingen 24 geschaffen. Zur Fixierung genügt eine Verfestigung der Verbindungsmasse 25 bei niedriger Temperatur, so dass eine starke Erwärmung der umliegenden Bereiche und somit wird eine Verformung Antiresonanzelement-Vorformlinge 24 vermieden wird.

[0076] Die zum Trocknen erforderliche Temperatur liegt unterhalb von 300 °C, was die Einhaltung der Maßhaltigkeit der Vorform begünstigt und thermische Beeinträchtigungen vermeidet. Ein Erhitzen auf höhere Temperaturen um 800 °C, beispielsweise beim Elongieren der Vorform zur Hohlkernfaser, führt zu einer weiteren thermischen Verfestigung der Versiegelungs- oder Verbindungsmasse, die auch geeignet ist, opakes oder transparentes Glas zu bilden. Dies geschieht durch Sintern oder Verglasen, wobei das Sintern zu opakem Glas vergleichsweise niedrigere Temperaturen und/oder kurze Erhitzungsdauern erfordert als ein Verglasen bis zur vollständigen Transparenz. Die Versiegelungs- oder Verbindungsmasse kann somit durch Erwärmen vollständig verdichtet und durch Erhitzen beim Heißformprozess verglast werden. Dabei verhält sich die Versiegelungs- oder Verbindungsmasse wie Quarzglas; sie wird viskos und verformbar ,

[0077] Die primäre Vorform 23 wird mit einem Überfangzylinder aus Quarzglas überfangen, wobei der Überfangzylinder auf das Mantelrohr 1 aufkollabiert, und gleichzeitig wird das Rohr-Ensemble zu einer sekundären Vorform elongiert. Der Überfangzylinder hat einen Außendurchmesser von 63,4 mm und eine Wandstärke von 17 mm.

[0078] Beim Kollabier- und Elongierprozess wird die koaxiale Anordnung von Mantelrohr 1 und Überfangzylinder bei vertikal orientierter Längsachse von unten kommend einer temperaturgeregelten Heizzone zugeführt und darin mit dem oberen Ende der Anordnung beginnend zonenweise erweicht.

[0079] Die Heizzone wird auf eine Soll-Temperatur von 1600 °C mit einer Regelgenauigkeit von +/- 0.1 °C gehalten. Dadurch können Temperaturschwankungen im Heißformprozess auf weniger als +/- 0.5°C begrenzt werden.

[0080] Die im Kollabier- und Elongierprozess gebildete sekundäre Vorform hat einen Au-ßendurchmesser von etwa 50 mm und eine aus äußerem Mantel und innerem Mantel zusammengesetzte Mantel-Wanddicke von 16,6 mm. Die maximale Wanddickenschwankung (größter Wert minus kleinster Wert) der Antiresonanzelement-Vorformlinge beträgt weniger als 4 µm. Die sekundäre Vorform wird anschließend zu der Antiresonanten Hohlkernfaser gezogen.

[0081] Die nachfolgende Tabelle nennt die Abzugsparameter bei unterschiedlichen Außendurchmessern vor (VOR) und nach (NACH) dem Umformprozess.

Tabelle 1

Außendurchmesser VOR [mm]	Außendurchmesser NACH [mm]	Mantelrohr länge [mm]	Vorschubgeschwindigkeit [mm/min]	Abzug [mm/min]
90	70	1000	15	9,80
80	70	1000	15	4,59
40	20	1000	5	15
25	20	1000	10	5,63

[0082] Die Heizzone hat eine Länge von 100 mm. Beispielsweise ergibt ein Mantelrohr mit einem Außendurchmesser von 90 mm und einer Wandstärke von 10 mm bei einer Zufuhrgeschwindigkeit von 5 mm/min einen Durchsatz von 27,6 g/min in die Heizzone, bei einer Zufuhrgeschwindigkeit von 15 mm/min liegt der Durchsatz bei 83 g/min. Bei einer Zufuhrgeschwindigkeit 15 mm/min ergibt sich bei einem Rohr mit einem Außendurchmesser von 25 mm und 1 mm Wandstärke ein Durchsatze von 2,49 g/min.

[0083] Die maximale Abweichung der Wanddicke der Antiresonanzelement-Vorformlinge in der Vorform beträgt bei allen Ausführungsbeispielen etwa 4 µm. Aus den Vorformen wurden Hohlkernfasern mit einem Außendurchmesser von 200 µm beziehungsweise 230 mm gezogen, und die Wanddicken der Antiresonanzelemente wurden bestimmt.

[0084] Die in Figur 2 gezeigte Vorrichtung dient zum werkzeugfreien Elongieren eines Ausgangszylinders 4 aus undotiertem Quarzglas zu einem Zwischenzylinder.

[0085] Die Außenwandung des Ausgangszylinders wird mittels Umfangsschleifers, der mit einem #80 Schleifstein bestückt ist, grob geschliffen, wodurch der vorgegebene Soll-Außendurchmesser im Wesentlichen erhalten wird. Die Außenmantelfläche wird dann mittels eines NC-Umfangsschleifers fein geschliffen. Die Innenmantelfläche des so erhaltenen Rohres wird insgesamt mittels einer Honmaschine, die mit einer #80 Honleiste bestückt ist gehont, wobei der Glättungsgrad fortlaufend verfeinert wird, und die Endbehandlung mit einer #800 Honleiste erfolgt. Anschließend wird der Ausgangszylinder in einer 30%igen Flusssäure-Ätzlösung kurz geätzt. Auf diese Weise wird ein Ausgangszylinder mit einem Außendurchmesser von 200 mm und einem Innendurchmesser von 70 mm gefertigt. Dieser wird anschließend einem Vertikalziehverfahren in einer Vorrichtung gemäß Figur 2 zu einem Zwischenzylinder elongiert.

[0086] Die Vorrichtung umfasst einen vertikal orientierten Widerstands-Heizofen 1, der einen im Querschnitt kreisförmigen Heizraum 3 umschließt. Das Heizrohr 1 besteht aus einem ringförmigen Element mit einem Innendurchmesser von 240 mm, einem Außendurchmesser von 260 mm und einer Länge von 200 mm. Das Grafit-Heizrohr 1 umschließt die eigentliche Heizzone. Es ist beiderseits mittels 55 mm breiten Verlängerungsstücken 5 aus Grafitrohr verlängert, die einen Innendurchmesser von 250 mm und einen Außendurchmesser von 280 mm haben. Das Innenvolumen der Heizzone Vc beträgt etwa 8140 mm³

[0087] In Höhe einer oberen Erfassungsebene E1 (an der Oberkante des oberen Verlängerungsstücks 5) ist ein Pyrometer 6 angeordnet, welches die Oberflächentemperatur des Ausgangszylinders 1 erfasst. In Höhe einer unteren Erfassungsebene E2 (an der Unterkante des unteren Verlängerungsstücks 5) ist ein weiteres Pyrometer 7 angeordnet, welches die Oberflächentemperatur des elongierten Rohrstrangs 12 erfasst. Die Temperatur-Messwerte der Pyrometer 6 und 7 sowie die vom Pyrometer 16 gemessene Temperatur des Heizrohres 1 werden jeweils einem Rechner 8 zugeführt.

[0088] Das obere Ende des Ausgangszylinders 4 ist über eine Schweißverbindung 9 mit einem Quarzglas-Halterohr 10 verbunden, mittels dem es in horizontaler und vertikaler Richtung verschiebbar ist.

[0089] Der Ausgangszylinder 4 wird so ausgerichtet, dass seine Längsachse möglichst koaxial zur Mittelachse 2 des Heizrohres 1 verläuft. Er wird dem Heizraum 3 (mit seinem untern Ende beginnend) mit einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit von oben zugeführt und darin erweicht. Aus dem erweichten Bereich wird unter Bildung einer Ziehzwiebel 11 ein Zwischenzylinder-Rohrstrang 12 vertikal nach unten abgezogen. Der Zwischenzylinder-Rohrstrang 12 wird dabei entlang eines Wanddickenmessgerät 14 geleitet, das ebenfalls mit dem Rechner 8 verbunden ist, so dass während des Ziehprozesses die Wanddicke des abgezogenen Rohrstrangs 12 aufgezeichnet und mit Hilfe des Rechners 8 ausgewertet werden kann. Die durchgehende Innenbohrung von Ausgangszylinder 4 und Zwischenzylinder-Rohrstrang 12 trägt die Bezugsziffer 13. Die Rohrabzugsgeschwindigkeit wird mittels eines Abzugs 15 erfasst und über den Rechner 8 eingestellt.

[0090] In dem vertikal ausgerichteten Heizrohr 1 wird ein Quarzglas-Hohlzylinder 4 mit einem Außendurchmesser von 200 mm und einem Innendurchmesser von 75 mm so justiert, dass seine Längsachse koaxial zu Mittelachse 2 des Heizrohres 1 verläuft. Der Ausgangszylinder 1 wird in der Heizzone auf eine Temperatur oberhalb von 2.200 °C erhitzt und mit einem vorgegebenen Vorschub abgelassen. Aus der sich bildenden Ziehzwiebel 9 wird der Quarzglas-Rohrstrang 12 mit geregelter Ziehgeschwindigkeit auf einen nominalen Außendurchmesser von 40 mm und einen Innendurchmesser von 30 mm (Wanddicke: 5 mm) als Zwischenzylinder abgezogen. Dieser zeigt eine glatte geschmolzene und partikelfreie Oberfläche. Er wird in einem zweiten Elongierschritt in einer zweiten Ziehanlage als Ausgangszylinder für die Herstellung von Hüllrohren beziehungsweise Innen-Kapillaren eingesetzt. Die dafür eingesetzte zweite Ziehanlage gleicht der von Figur 2, sie unterscheidet sich im Wesentlich durch die Länge und den Innendurchmesser der ihrer Heizzone. Die Heizzone (das Heizrohr) hat einen Innendurchmesser von 120 mm, einem Außendurchmesser von 140 mm und eine Länge von 100 mm.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Antiresonanten Hohlkernfaser, die einen sich entlang einer Faser-Längsachse erstreckenden Hohlkern und einen den Hohlkern umgebenden inneren Mantelbereich aufweist, der mehrere Antiresonanzelemente umfasst, mit den Verfahrensschritten:

(a) Bereitstellen eines Mantelrohres mit einer Mantelrohr-Längsachse, entlang der sich eine von einer Innenseite und einer Außenseite begrenzte Mantelrohr-Wandung erstreckt,

(b) Bereitstellen von rohrförmigen Antiresonanzelement-Vorformlingen,

(c) Anordnen der Antiresonanzelement-Vorformlingen an Soll-Positionen der Innenseite der Mantelrohr-Wandung unter Bildung einer primären Vorform, die einen hohlen Kernbereich und einen inneren Mantelbereich aufweist, und

(d) Elongieren der primären Vorform zu der Hohlkernfaser oder Weiterverarbeitung der primären Vorform zu einer sekundären Vorform, aus der die Hohlkernfaser gezogen wird, wobei die Weiterverarbeitung eine einmalige oder wiederholte Durchführung von einem oder mehreren der folgenden Heißformprozesse umfasst:

(i) Elongieren,

(ii) Kollabieren,

(iii) Kollabieren und gleichzeitiges Elongieren,

(iv) Aufkollabieren von zusätzlichem Mantelmaterial,

(v) Aufkollabieren von zusätzlichem Mantelmaterial und anschließendes Elongieren,

(vi) Aufkollabieren von zusätzlichem Mantelmaterial und gleichzeitiges Elongieren,

dadurch gekennzeichnet, dass Antiresonanzelement-Vorformlinge bereitgestellt werden, die jeweils mindestens ein Hüllrohr und/oder mindestens eine Innen-Kapillare aufweisen, wobei das Hüllrohr und/oder die Innen-Kapillare anhand eines Vertikalziehverfahrens ohne Formwerkzeug erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vertikalziehverfahren zum Herstellen des Hüllrohres und/oder zum Herstellen der Innen-Kapillare folgende Verfahrensschritte umfasst:

(aa) Bereitstellen eines Ausgangshohlzylinders aus Glas, der eine Zylinder-Längsachse und eine äußere sowie eine innere Zylindermantelfläche aufweist,

(bb) einen ersten Elongierprozess, bei dem der Ausgangshohlzylinder mit vertikal orientierter Längsachse kontinuierlich einer ersten Heizzone mit einer ersten Heizzonenlänge L_H1 zugeführt, darin bereichsweise erweicht und aus dem erweichten Bereich ein Zwischenzylinder ohne Formwerkzeug abgezogen wird,

(cc) einen zweiten Elongierprozess, bei dem der Zwischenzylinder oder ein aus dem Zwischenzylinder durch Elongieren erhaltener elongierter Zwischenzylinder mit vertikal orientierter Längsachse kontinuierlich einer zweiten Heizzone mit einer zweiten Heizzonenlänge L_H2 zugeführt, darin bereichsweise erweicht und aus dem erweichten Bereich ein Rohrstrang mit einem Außendurchmesser T_a und einem Innendurchmesser T_i ohne Formwerkzeug abgezogen wird, wobei gilt: L_H2 < L_H1 und T_a/T_i < 1,5, und

(dd) Ablängen des Rohrstrangs zu Hüllrohren beziehungsweise zu Innen-Kapillaren.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen des Ausgangshohlzylinders gemäß Verfahrensschritt (aa) eine mechanische Bearbeitung der Zylindermantelflächen zur Einstellung von Ausgangshohlzylinder-Endmaßen, umfassend einen Außendurchmesser C_a von mindestens 90 mm, einen Innendurchmesser C_i und ein Durchmesserverhältnis C_a/C_i von weniger als 2,8.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Bearbeitung der Zylindermantelflächen des Ausgangshohlzylinders durch Schneiden, Fräsen, Bohren, Schleifen, Honen und/oder Polieren erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser C_a auf mindestens 150 mm, vorzugsweise mindestens 180 mm eingestellt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrstrang mit einem Außendurchmesser T_a im Bereich von 7 bis 35 mm gezogen wird).

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Heizzonenlänge L_H1 mindestens 200 mm (nur die heiße Zone), und vorzugsweise zwischen 150 und 400 mm beträgt, und dass die zweite Heizzonenlänge L_H2 maximal 140 mm, und vorzugsweise zwischen 50 und 140 mm beträgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Rohrstrangs auf einen Wert zwischen 2 und 2 mm, bevorzugt auf einen Wert zwischen 0,22 und 1,2 mm, eingestellt wird, und dass das Durchmesserverhältnis T_a/T_i auf einen Wert im Bereich von 1,02 und 1,14, vorzugsweise auf einen Wert im Bereich von 1,04 bis 1,08 eingestellt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Rohrstrangs auf einen Wert zwischen 0,2 und 2 mm, bevorzugt auf einen Wert zwischen 0,22 und 1,2 mm, eingestellt wird, und dass das Durchmesserverhältnis T_a/T_i auf einen Wert im Bereich von 1,05 und 1,5, vorzugsweise auf einen Wert im Bereich von 1,14 bis 1,35 eingestellt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausziehverhältnis in Summe der Elongierprozesse auf einen Wert im Bereich von 38 bis 78 eingestellt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrohr beziehungsweise die Innen-Kapillare eine Außenmantelfläche aufweist und dass nach Beendigung des Vertikalziehverfahrens die Außenmantelfläche frei ist von Partikeln mit einer Größe von mehr als 0,005 mm, und dass das Hüllrohr beziehungsweise die Innen-Kapillare aus Quarzglas besteht, das eine Wolfram-Konzentration von weniger als 2 Gew.-ppb enthält).

12. Verfahren zur Herstellung einer Vorform für eine Antiresonante Hohlkernfaser, die einen sich entlang einer Faser-Längsachse erstreckenden Hohlkern und einen den Hohlkern umgebenden inneren Mantelbereich aufweist, der mehrere Antiresonanzelemente umfasst, mit den Verfahrensschritten:

(a) Bereitstellen eines Mantelrohres mit einer Mantelrohr-Längsachse, entlang der sich eine von einer Innenseite und einer Außenseite begrenzte Mantelrohr-Wandung erstreckt,

(b) Bereitstellen von rohrförmigen Antiresonanzelement-Vorformlingen,

(c) Anordnen der Antiresonanzelement-Vorformlinge an Soll-Positionen der Innenseite der Mantelrohr-Wandung unter Bildung einer primären Vorform, die einen hohlen Kernbereich und einen inneren Mantelbereich aufweist, und

(d) Elongieren der primären Vorform zu der Hohlkernfaser oder Weiterverarbeitung der primären Vorform zu einer sekundären Vorform für die Hohlkernfaser, wobei die Weiterverarbeitung eine einmalige oder wiederholte Durchführung von einem oder mehreren der folgenden Heißformprozesse umfasst:

(i) Elongieren,

(ii) Kollabieren,

(iii) Kollabieren und gleichzeitiges Elongieren,

(iv) Aufkollabieren von zusätzlichem Mantelmaterial,

(v) Aufkollabieren von zusätzlichem Mantelmaterial und anschließendes Elongieren,

(vi) Aufkollabieren von zusätzlichem Mantelmaterial und gleichzeitiges Elongieren,

dadurch gekennzeichnet, dass Antiresonanzelement-Vorformlinge bereitgestellt werden, die jeweils mindestens ein Hüllrohr und/oder mindestens eine Innen-Kapillare aufweisen, wobei das Hüllrohr und/oder die Innen-Kapillare anhand eines Vertikalziehverfahrens ohne Formwerkzeug erzeugt wird.

Zeichnung